Контрольні питання

1. Сформулюйте закон Кулона для точкових електричних зарядів.

2. Назвіть основні характеристики електростатичного поля.

3. Сформулюйте закон збереження електростатичного заряду.

4. Що називають напруженістю електричного поля? Як вона направлена?

5. Яке практичне застосування має теорема Остроградського-Гаусса?

6. Яким співвідношенням зв’язані між собою напруженість і потенціал?

7. Що характеризує відносна діелектрична проникненість?

8. Від чого залежить густина енергії електричного поля?

9. Що таке електростатичний захист?

10.Що називають поляризацією діелектрика?

Література

1.Гончаренко С.У. Фізика. Підручник для 10-х кл.середньої загальноосвітньої школи.

К. : Освіта, 2002. .§§ 42-58..

2.Жданов Л. С. , Жданов Г. Л. Фізика для середніх спеціальних навчальних закладів. Підручник.

М., Наука, 1984.§§ 7.1-13.6.

Електродинаміка План

1. Електричний струм.

2. Сила струму.

3. Джерела струму, електрорушійна сила.

4. Закон Ома для однорідної ділянки кола.

5. Закон Ома для неоднорідної ділянки кола.

6. Робота і потужність струму.

7. Способи з’єднання споживачів.

8. Струм в електролітах. Електроліз.

9. Струм у газі

10.Струм у вакуумі.

11.Струм у напівпровідниках.

Електродинаміка - це розділ фізики, який вивчає явища, зумовлені рухом електричних зарядів.

Електричний струм

Це процес упорядкованого (напрямленого) руху заряджених частинок.

Для виникнення більшості видів струму потрібна наявність електричного поля, яке б діяло на заряджені частинки. Струми, що являють собою упорядкований рух роз'єднаних зарядів, називаються струмами провідності. Такі струми можуть існувати в металах, напівпровідниках, електролітах і газах. Однак бувають особливого типу струми, утворювані зв'язаними зарядами діелектрика струми поляризації.

Найбільш відомі струми в металах, які зумовлені наявністю різниці потенціалів на кінцях деякого провідника і являють собою упорядкова­ний рух колективізованих електронів металу.

Колективізовані (або "вільні") електрони в металах з'являються завдяки щільній упаковці атомів у кристалі. "Успільнюються" при цьому найбільш периферійні (валентні) електрони атомів, одержуючи мож­ливість переміщення по кристалу.

При відсутності зовнішнього електричного поля (відсутності ) рух колективізованих електронів нагадує хаотичний рух молекул ідеального газу (а). Під впливом зовнішнього поля електрони, продовжуючи хаотич­ний рух, напрямлено дрейфують, "здуваючись електричним вітром"(б). Умовна модель: у безвітряну погоду у вологій місцевості рій мошви в цілому нерухомий, хоча окремі мошки швидко й безладно рухаються; при наявності вітру рій напрямлено дрейфує.

Сила струму

Напрямлений рух заряджених частинок може відбуватись з різними швидкостями. Швидкість руху заряджених частинок характеризують силою струму .

Ця величина чисельно дорівнює заряду, що проходить через поперечний переріз провідника за секунду (не дивлячись на назву, сила струму скаляр).

[I] =А (ампер). Ця одиниця, одна з основних у СІ, вводиться на підставі закону магнітної взаємодії провідників із струмом. Формулою сили струму користуються для введення одиниці заряду:

кулон — це заряд, проходження якого через переріз провідника за секунду створює у провіднику струм в один ампер.

Для наочності пов'яжемо ампер з кулоном: при струмі в 1 ампер з провідника витікало б у землю щосекунди 6,25 10¹⁸ електронів.

Якщо ні швидкість руху зарядів, ні напрям їх руху з часом не змінюються, струм називають постійним. У випадку постійного струму для будь-яких проміжків часу:

Джерела струму. Електрорушійна сила

Для тривалого протікання струму через провідник (струму провідності) необхідно тривалий час підтримувати на кінцях провідника різницю потенціалів (яка має тенденцію до зменшення під дією електричних сил). Для цього незастосовні згадані способи електризації тертям (ні вручну, ні механізовано).

Було винайдено різного типу пристрої для відокремлення різнойменних зарядів атомів (або молекул): магнітомеханічні, електрохімічні, термоелектричні, фотоелектричні. Такі пристрої можуть використовуватись як джерела струму.

Сили, які відокремлюють, всупереч кулонівським силам, різнойменні заряди називаються сторонніми силами. Прикладом джерела струму може служити акумулятор, всередині якого хімічні сили здійснюють поділ молекули на позитивні і негативні іони та переносять їх на клеми (зажими) акумулятора.

Найпростіше електричне коло — це сукупність джерела струму, споживача і з'єднувальних провідників.

Вважається, що струм тече від клеми "+" до клеми "-", хоча в металі струм створюється рухом електронів від клеми "-". Цією невідповідністю людство зобов'язане Бенджаміну Франкліну, який 250 років назад припустив, що якась "електрична рідина" тече у провіднику від ділянок, де її надлишок (від "+"). Якби заряд електрона назвали позитивним, невідповідності не було б. Енергетичну характеристику джерела струму назвали "електрорушійною силою" (EРС). Очевидна невдалість цього терміна по відношенню до скалярної величини.

ЕРС враховує тільки другу функцію сторонніх сил — перенесення уже відокремлених різнойменних зарядів.

Повна робота в колі по перенесенню зарядів:

2-й і 3-й члени суми мають однакові числові значення, але протилежні знаки (А₂>0, А₃<0), тобто

А₃= - A_2­ , так що робота кулонівських сил у всьому колі дорівнює нулю. Тому:

Отже, хоча безпосередньо сторонні сили виявляються всередині джерела, роботу вони виконують у всьому колі.

Формула електрорушійної сили:

Ця величина чисельно дорівнює роботі сторонніх сил по перенесенню одиничного заряду в колі.

Закон Ома для однорідної ділянки кола. Електрична провідність і опір

Подумки виділимо в колі однорідну ділянку 1→2. На ній

Залежність I від геометричних розмірів і матеріалу ділянки враховує коефіцієнт G (електрична провідність):

[G]=См-сименс

Частіше користуються оберненою величиною — опором К (від "rasistanse"). Тоді:

[R]=Ом=См^-1

Опір провідника (дроту):

де l і S — довжина і площа поперечного перерізу провідника. Коефіцієнт враховує властивості матеріалу і називається питомим опором. [] = Ом*м.

Походження опору пояснюється зіткненнями електронів, які напрямлено рухаються, з іонами кристалічної решітки, які коливаються. При збільшенні температури матеріалу амплітуда коливань збільшується, що призводить до збільшення опору (і навпаки, при зменшенні Т зменшується R). У шкалі Цельсія залежність питомого опору від температури має вигляд:

Термічний коефіцієнт опору для чистих металів є табличною величиною.

Закон Ома для неоднорідної ділянки кола. Напруга

де r_год. — опір додаткового джерела струму.

Величина U_1,2 = () ± називається напругою на ділянці. В

окремому випадку однорідної ділянки (такої, що не містить джерела)

U_1,2 =

Закон Ома для повного кола

,

де R — зовнішній опір (опір зовнішніх відносно джерела ділянок), r - внутрішній опір (опір джерела).

Робота й потужність струму

З формули роботи електричного поля, що вже розглядалась: А = q*U, виражаючи заряд через силу струму, одержимо А =I•U•t, або А = I²*R*t(. У випадку постійного струму, тобто при неприскореному русі електронів, за рахунок роботи струму відбувається тепловиділення у металі: Q =I²*R*t=U^2*t/R (закон Джоуля-Ленца).

Потужність струму Р=І*U. [Р] = Вт = АВ.

Носії опору в колах. З'єднання резисторів

Нерегульовані пристрої, що вмикаються в коло для зміни його опору (а), називаються резисторами (не "опорами", як жаргонно іноді їх називають).

Пристрої, опір яких можна регулювати (б), називаються реостатами.

Обидва типи пристроїв виготовляють з матеріалів металевої природи.

При послідовному з'єднанні резисторів всі електрони провідності (весь струм) проходять через кожний резистор, внаслідок чого збільшується число зіткнень електронів з іонами, тобто збільшується опір ділянки:

При паралельному з'єднанні резисторів струм розтікається: частина йде через R₁, частина — через R₂ і т. д., що призводить до зростання електричної провідності:

.

Надпровідність

Так назвали відкрите Камерлінгр-Оннесом у 1911р. явище повного зникнення опору ртуті, охолодженої зрідженим гелієм. Потім надпровідність було виявлено і у інших металів: Al, Zn, Cd, Ті, Ni, Та.

Не переходять у надпровідний стан "королі" високотемпературної провідності: Аu, Аg, Рt, Сu, а також лужно-земельні метали (Li, Na, К) і феромагнетики.

Підбираючи комбінації сплавів, вчені зуміли створити матеріали, надпровідність яких виникала при охолодженні зрідженим воднем (сплави Nb і Gе).

Через 75 років після відкриття надпровідності Мюллер і Беднорц (Швейцарія) виявили надпровідність у "керамік", — спресованих порошків окисів. Першою з таких керамік була суміш оксидів Ва, Lа і Сu.

Цей матеріал виявляв надпровідність при охолодженні зрідженим азо­том (дешевим і простим у роботі).

Заміна Lа на Y ще підвищила температуру переходу у надпровідний стан.

І все ж керамічні надпровідники поки що не знайшли технічного застосування через нестабільність їх складу та погану технологічність (з порошку не вдається виготовляти міцний тонкий дріт).

Для практичного застосування (виготовлення надсильних магнітів, наприклад — для поїздів на "магнітній подушці") все ще використовуються низькотемпе­ратурні надпровідники.

У стадії перспективного проекту — надпровідна лінія електропередачі.

Струм в електролітах. Електроліз

Процес виділення струмом хімічних складових провідника називається електролізом. Провідники, в яких відбувається електроліз — електроліти. Електролітами є численні водні розчини солей, кислот та лугів, а також деякі тверді хімічні сполуки.

Складові частини електроліту (іони) осаджуються на електродах.

Отже: електроліз — це виділення речовин з електроліту з наступним осадженням на електродах

Формула Фарадея для визначення маси речовини, що осаджується на електродах: ,

де М — маса моля, I — сила струму, t — час його проходження, N_A — стала Авогадро,

e — заряд електрона, n — валентність, F — стала Фарадея.

Застосування електролізу:

одержання антикорозійних покрить на виробах (нікелювання, хромування); рельєфне копіювання авторських екземплярів монет, медалей, одержання металів з руд тощо.

Струм у газі

Газ може стати провідником або при значному підвищенні температури, або внаслідок дії на нього ультрафіолетового, рентгенівського і гамма-випромінювань. Все це — зовнішні іонізатори, які перетворюють частину молекул газу в позитивні іони, відщеплюючи від молекул електрони. Електричний струм у газі називають газовим розрядом.

Залежність струму в газі від напруги між введеними в посудину з газом електродами називають (а) вольт-амперною характеристикою газового розряду.

Ділянка ОА відповідає все більш повному відведенню до електродів частинок, що утворились зовнішньою дією.

Ділянка АВ відповідає струму насичення: всі утворені за одиницю часу електрони та іони відразу відводяться до електродів.

Ділянка ВС відображає приєднання до зовнішнього іонізатора внутрішнього (прискорююча напруга настільки велика, що одержаної електронами енергії досить для ударної іонізації ними молекул газу; йде лавиноподібне збільшення числа електронів та іонів (іони на рисунку (б) не зображені). При U<U_c іони не беруть участі в ударній іонізації, бо їх малий пробіг не дозволяє їм накопичити достатню для іонізації енер­гію. Хоча сили струмів в інтервалі I_A,B — I_с і великі, усунення зовніш­нього іонізатора призводить до зникнення розряду.

Розряд, що відбувається тільки в присутності зовнішнього іонізатора — несамостійний.

Розряд стає самостійним при подальшому посиленні електричного поля, прискорюючого електрони та іони. У досить сильних полях позитивні іони: а) вибивають електрони з катода; б) іонізують молекули газу при зіткненні з ними.

Виникнення самостійного розряду призводить до спаду напруги між електродами в газі (через істотне зменшення опору газового проміжку).

Автори багатьох навчальних посібників, мимоволі ототожнюючи поняття "самостійний розряд" і "самостійна іонізація", помилково проголошують ділянку ВС такою, що відноситься до самостійного розряду.

В залежності від тиску газу, форми електродів та прикладеної напруги можуть виникати самостійні розряди різних типів: тліючий, дуговий, коронний, іскровий.

Приклади використання газових розрядів:

індикаторні лампи, світлові реклами, електрозварювання, очистка газоподібних відходів виробництв від твердих включень.

Плазма

Так називається газ із знач­ним ступенем іонізації його молекул.

Розрізняють газо­розрядну плазму (про неї йшлось вище) і високотемпе­ратурну (у надрах Сонця та інших зірок).

Струму вакуумі. Емісія електронів. Вакуумні діод і тріод

Поняття вакууму і електронної емісії

Звичайно говорять про вакуум у посудині, рідше — про вакуум у не обмеженому стінками посудини просторі (у космосі).

Вакуум у посудині — це настільки розріджений стан газу, що взаємні зіткнен­ня його молекул відбуваються рідше, ніж їх зіткнення із стінками посудини.

Вакуум — поняття відносне. Наприклад, при відкачуванні насосом повітря з колб а), б), в) у першій з них вакуум досягаєть­ся раніше (при більшому тиску залишко­вого газу, ніж в інших колбах).

Умова вакууму: середня довжина вільного пробігу молекул ї > D, де D — діаметр колби.

Вакуум — ізолятор, струм у ньому може виникнути тільки при штучно­му введенні заряджених частинок. Для цього використовують емісію (ви­пускання) електронів. У вакуумних лампах з нагрівними катодами відбу­вається термоелектронна емісія, а у фотодіоді — фотоелектронна.

Вакуумні електронні лампи

У перших конструкціях вакуум­них двохелектродних ламп (діодів) використовувались като­ди прямого розжарення (вольфрамовий катод був одночасно і нагрівником, і джерелом емісії. Потім почали виготовляти діоди з катодами непрямого розжарен­ня ("підігрівними"). При цьому джерела емісії — окиси металів з малою роботою виходу з них електронів, але з великим електроопором, тому нагрівник у та­ких діодах відокремлений від катода.

Діод Тріод

Діоди використовуються для випрямлення змінного струму: у ті на-півперіоди, коли потенціал електрода, з якого вилітають електрони, стає позитивним, струм через діод не проходить.

Отже: вакуумний діод, маючи однобічну провідність, відіграє роль ви­прямляча.

У трьохелектродних вакуумних лампах (тріодах) міститься ще один електрод (сітка, керуючий електрод). Зміна різниці потен­ціалів між сіткою і катодом при­зводить до зміни струму через лампу. Подаючи "на вхід" лампи (катод-сітка) слабкий змінний електричний сигнал, одержують "на виході" (катод-анод) підсиле­ний сигнал такої ж форми, яку мав вхідний сигнал.

Отже: вакуумний тріод завдяки наявності сітки відіграє роль підсилювача.

Струм у напівпровідниках

Опір надчистих кристалів германію (Gе) і кремнію (Sі) менший, ніж у діелектриків, але більший, ніж у металів. В цих кристалах дуже мало колективізованих електронів, підвищення температури збільшує їх чис­ло, зменшуючи опір кристала.

У напівпровідниках крім напрямленого руху електронів розглядається також рух позитивно заряджених "частинок" — "дірок". Дірка — це вакансія у зв'язках між атомами Gе або Sі, вона не може існувати у вакуумі. І електронна, і діркова провідність чистих кристалів (власна провідність) мала.

Внесення у кристал відповідних домішок різко підсилює провідність одного типу. Кристал з підсиленою електронною провідністю — n-кристал (від "negativе"), а з підсиленою дірковою провідністю — р-кристал (від "рosirivе"). У першому випадку використовуються домішки з ва­лентністю, більшою, ніж 4 (валентність Gе і Si): п'ятивалентні сурма і фосфор, домішки-донори (від "той, хто дарує"). У другому випадку валентність домішок дорівнює 3 (миш'як, алюміній), це — домішки-акцептори (від "приймаючий").

Напівпровідниковий діод

З'єднані між собою (зістиковані) n-кристал і р-кристал утворюють (п-р)-кристал з однобічною провідністю (як у вакуум­ного діода).

Схемі (а) підключення (п-р)-кристала до джерела струму відповідає дуже слабкий струм через кристал, а схемі (б) — сильний. Інакше ка­жучи, схемі (б) відповідає увімкнен­ня подвійного кристала у пропуск­ному напрямі, а схемі (а) — у запираючому.

Слабкий (але відмінний від нуля) зво­ротний струм створюється рухом не­основних для кожного з кристалів носіїв заряду (електронів у р-кристалі і дірок у n-кристалі).

Транзистор

Так називається пристрій з трьох напівпровідникових кристалів з доміш-ковою провідністю. В залежності від розмірів та конфігурації розрізня­ють площинні і точкові транзистори. У транзисторах різного типу чергу­вання кристалів різне: n-р-n або р-n-р.

Роль транзистора в цілому така ж, як і вакуумного тріода. Площинний транзистор (n-р-n) і за принципом дії подібний до вакуумного тріода. Транзистори (р-n-р) використовуються в багатьох схемах, але пояснен­ня принципу їх дії складніше (доводиться говорити про емісію дірок, а не електронів).

Переваги напівпровідникових діода й тріода перед вакуумними: малі розміри, великі механічна міцність і довговічність, невисока напруга, потрібна для роботи. Недолік — залежність якості роботи від темпера­тури навколишнього середовища.

Правий (n-р)-перехід підключений до джерела струму порівняно вели­кої ЕРС, але у запираючому напрямі, лівий — до джерела меншої ЕРС, але у пропускному напрямі. Нехай спочатку ключ К незамкнений, тоді у правій частині схеми протікає слаб­кий струм.

При замиканні ключа лівий n-кристал одержує негативний потенціал, що призводить до проштовхування електронів з усієї товщі n-кристала до контактної ділянки лівого (n-р)-переходу.

Р-кристал настільки тонкий (плівка), що більшість електронів, пролітаючи крізь нього, потрапляють до кон­тактної ділянки правого (n-р)-переходу, зменшуючи її опір. Цей процес називається уприскуванням елект­ронів.

Лівий n-кристал за своєю роллю схо­жий на катод вакуумного тріода і на­зивається емітером; правий n-крис­тал подібний до анода і називається колектором; р-кристал подібний до сітки і називається базою. Змінюючи різницю потенціалів між емітером і базою, можна керувати колекторним струмом.